一種新型平板式大功率LED照明裝置微熱管散熱方案

設(shè)計(jì)了一種新型的帶有百葉窗的平板式大功率發(fā)光二極管(LED)照明裝置。該裝置采用高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁基板作為多顆大功率LED的散熱電路板，用0.4mm的鋁片作為散熱翅片，結(jié)合溝槽式微熱管構(gòu)成集發(fā)光與散熱一體化的輸入功率為21W的照明模組，該模組可根據(jù)照明亮度要求重構(gòu)成不同功率的照明裝置。

1引言

與在道路照明中使用量最大的高壓鈉燈相比，大功率LED作為照明裝置具有色溫可選、發(fā)光效率高、無需高壓、超高亮度、顯色性高及長壽命等優(yōu)勢(shì)。散熱問題是限制大功率LED照明應(yīng)用的最大障礙。經(jīng)過研究了硅基多芯片的封裝新方法，找到一種可以有效降低熱阻的用于LED封裝的金屬粘結(jié)方法。即用豎直的碳納米管作為粘結(jié)材料直接粘結(jié)在鋁基板上，生長的碳納米管作為熱邊界材料，得到了較好的散熱效果。并開發(fā)了一種新型熱沉來實(shí)現(xiàn)大功率LED的冷卻。還提出了一種LED的熱管散熱模型，結(jié)點(diǎn)溫度和熱阻都得到了較大的降低。研究了將LED粘結(jié)在微熱管上的散熱性能，微熱管能使芯片溫度降低更多。

利用動(dòng)態(tài)電學(xué)測(cè)試方法測(cè)量大功率LED熱阻和結(jié)溫的原理、實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)量步驟和影響測(cè)試結(jié)果的因素。針對(duì)利用有限元模擬分析了工作過程中的溫度和熱應(yīng)力分布，并測(cè)試了實(shí)際器件表面特征點(diǎn)的溫度變化。設(shè)計(jì)了大功率LED陣列封裝的微通道冷卻結(jié)構(gòu)，探討了各參數(shù)對(duì)LED多芯片散熱效果的影響。研究了微噴射流的大功率LED主動(dòng)散熱方案，實(shí)現(xiàn)大功率LED芯片組的高效散熱。采用有限體積數(shù)值模擬、瞬態(tài)熱阻測(cè)試方法以及熱沉溫度-峰值波長變化的關(guān)系，對(duì)3種散熱基板上大功率lGaInP紅光LED進(jìn)行了熱特性分析。提出了一種新型結(jié)構(gòu)的回路熱管，并建立了其性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置。

目前，國內(nèi)外的研究多集中在LED熱阻、結(jié)溫測(cè)量及利用封裝方法降低熱阻等方面。本文針對(duì)大功率LED的照明應(yīng)用需求，提出了一種集成微熱管的新型百葉窗式的大功率LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其散熱性能進(jìn)行模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究。

2大功率LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)

圖1(a)為大功率LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風(fēng)道示意圖。照明裝置采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每排LED都是1個(gè)照明模組，可以單獨(dú)使用，總共由7個(gè)模組組成，如圖1(b)所示。照明裝置分前艙和后艙兩部分，前艙裝有LED及電源，設(shè)計(jì)成全密封結(jié)構(gòu)；后艙安裝散熱模塊，左右及下壁面開有散熱用百葉窗結(jié)構(gòu)。翅片自然對(duì)流散熱的風(fēng)道經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)可以從照明裝置翅片艙的任意一側(cè)流入，從另一側(cè)流出，同時(shí)翅片的上表層也可以和周圍的空氣進(jìn)行對(duì)流散熱。LED照明裝置結(jié)構(gòu)的整體尺寸為328mm×480mm×84mm，模塊的基座尺寸為22mm×205mm，微熱管直徑為6mm，單片翅片的尺寸為35mm×66mm×0.4mm，翅片間距為3mm。

圖1LED照明裝置及模組示意圖。(a)LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風(fēng)道；(b)照明與散熱一體化的模組結(jié)構(gòu)。

在每個(gè)照明模組中，LED陣列焊接在鋁基電路板上，鋁基電路板下面由擠壓鋁型材板作為支撐。微熱管一端與鋁型材板下表面半圓孔利用過渡配合方式進(jìn)行固定；另外一端套裝上鋁翅片并焊接牢固，為了減小接觸熱阻，它們之間采用高導(dǎo)熱焊料焊接。鋁基電路板和擠壓鋁型材采用螺釘連接，中間涂有硅膠。

LED照明裝置通電運(yùn)行后，LED產(chǎn)生的熱量通過微熱管的一端吸收，運(yùn)輸?shù)匠崞?，熱量通過翅片的熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流，最后被空氣帶走。微熱管具有很高的導(dǎo)熱率，能夠及時(shí)將LED產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，避免芯片結(jié)溫過度升高；采用厚度為0.4mm的薄鋁片來加強(qiáng)對(duì)流散熱，比一般的鋁基擠壓型材熱沉具有更大的散熱面積、更輕的質(zhì)量及更好的散熱風(fēng)道。此照明裝置運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，具有可重構(gòu)特征。散熱系統(tǒng)采用自然對(duì)流散熱，不需要額外的驅(qū)動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)簡單、靈活且成本低廉。

3散熱量的理論計(jì)算

單個(gè)LED照明模組中微熱管散熱器的最大傳熱能力可按描述對(duì)流傳熱的牛頓冷卻公式寫為

式中Q為熱管散熱器的總傳熱量，單位為W；α為散熱器的總傳熱系數(shù)，單位為W/(m2；Δt為熱管基板表面溫度tb與散熱片周圍冷卻氣流溫度tf的差，即Δt=tb-tf，單位為℃。從(1)式可以推導(dǎo)得到

式中R為當(dāng)基準(zhǔn)面積A為單位面積時(shí)，微熱管散熱器的總熱阻，按傳熱學(xué)理論，它也是各串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)中的熱阻之和，即

式中Rb為從熱管基板表面?zhèn)鬟f到貼附其上的熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻；Rrg為蒸發(fā)段的傳熱熱阻；Rbh為熱管內(nèi)飽和蒸氣傳遞熱阻，由于熱管熱阻極小，在此計(jì)算中予以忽略；Rin為冷凝段蒸氣與內(nèi)壁的傳熱系數(shù)；Rsr為冷凝段內(nèi)壁到散熱片基板之間的導(dǎo)熱熱阻；Rf為從冷凝段翅片到冷卻氣體之間的傳熱熱阻。得到總傳熱系數(shù)

代入數(shù)據(jù)，得α=6.48W/(m2·K)，則微熱管散熱器的最大散熱量為47W。

單個(gè)LED照明模組的輸入功率為21W，假設(shè)發(fā)光效率為15％，則單個(gè)模組的發(fā)熱量為18W。由此可見，單個(gè)照明模組中微熱管散熱器的最大理論傳熱量遠(yuǎn)大于LED的發(fā)熱量，所以該種散熱方式能夠滿足LED的散熱要求。

4LED照明裝置的數(shù)值模擬分析

根據(jù)一般應(yīng)用要求，假設(shè)環(huán)境溫度為30℃，翅片與空氣的對(duì)流散熱系數(shù)為10W/(m6063型鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為201W/(m2·K)。圖2為D翅片的溫度、溫度梯度和熱流密度分布圖?？梢姕囟忍荻群蜔崃髅芏鹊姆植紶顟B(tài)基本一致，溫度梯度越大熱流密度越大，這與理論分析相符合。在實(shí)際應(yīng)用中，因翅片間的熱場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生干擾，使熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，導(dǎo)致其中某些翅片的實(shí)際溫度值要高于理論值。[!--empirenews.page--]

圖2單片翅片模擬結(jié)果圖。(a)翅片溫度分布圖；(b)翅片溫度梯度分布；(c)翅片熱流密度分布。

圖3為翅片間距分別為2mm和3mm的單排翅片溫度分布情況。翅片間距為2mm時(shí)，各翅片溫度分布不均勻，相鄰翅片存在明顯溫差，如圖3(a)所示。翅片間距為3mm時(shí)，各翅片溫度分布基本一致，翅片與微熱管接觸的部位溫度較高，穿孔處可達(dá)到60℃?？梢?，翅片間距對(duì)LED散熱有直接的影響。相同條件下，翅片溫差越小越好，因?yàn)閷?duì)流傳熱是由空氣與翅片的溫度梯度驅(qū)動(dòng)的。因此，本照明裝置采用的翅片間距為3mm。

圖3不同間距的翅片的溫度分布圖。

圖4為單排LED模組的溫度分布情況。芯片結(jié)溫TJ=TC+PD·RJC,其中TC為散熱襯底的溫度，PD為LED的功耗，RJC為LED芯片結(jié)點(diǎn)到散熱襯底的熱阻。圖4(a)為使用等直徑銅管散熱器的情況，芯片襯底的最高溫度可達(dá)92.8℃，TJ=103.6℃。LED芯片在較高溫度下工作，會(huì)影響芯片的使用壽命和出光效率。

圖4(b)為使用微熱管散熱器的情況，TC最高為65℃，TJ為73℃，LED芯片的溫度大大降低。

圖4LED模組溫度分布圖。(a)銅管散熱器；(b)微熱管散熱器。

圖5LED照明裝置模型溫度分布(a)和熱流密度分布(b)。

圖5(a)為整個(gè)LED照明裝置的溫度分布圖。翅片溫度分布與單片的近似，每排翅片以及同排不同位置的翅片溫度分布都基本相同。LED芯片襯底的最高溫度為67℃，換算后結(jié)溫為75℃，產(chǎn)生在3和4排鋁基電路板中間位置的LED芯片上，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。模組間距、翅片間距以及翅片本身的參數(shù)都有待進(jìn)一步優(yōu)化，可使此模型獲得更好的散熱效果。模擬結(jié)果的溫度分布和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度分布情況是吻合的，因此可以用模擬結(jié)果來一步核算每個(gè)散熱模塊的散熱量。整個(gè)LED照明裝置模型的熱流密度分布如圖5(b)所示，其平均熱流密度為100W/m2，模組的傳熱量為平均熱流密度與散熱面積之積。因此，可計(jì)算單個(gè)模組的最大傳熱量為38W，略小于單個(gè)模組的最大散熱理論計(jì)算值，這主要是因?yàn)樵谀M分析時(shí)考慮了熱場(chǎng)的耦合效應(yīng)，使得對(duì)流散熱作用減弱，傳熱量減小。

5實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

該照明裝置采用了兩種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析。一種是采用非接觸式紅外溫度測(cè)試儀測(cè)量LED芯片和翅片表面溫度，其結(jié)果可以直觀地反映結(jié)點(diǎn)溫度的大小，如圖6所示。另一種是采用K型熱電偶對(duì)關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行接觸式測(cè)量，如圖7所示。

圖6紅外溫度測(cè)試裝置。

圖7熱電偶測(cè)溫裝置。

在紅外測(cè)溫方法中，LED表面的溫度由紅外測(cè)溫儀直接測(cè)得，實(shí)驗(yàn)誤差主要源于紅外測(cè)溫儀自身的誤差(約為0.1℃)。在熱電偶測(cè)溫方法中，各個(gè)點(diǎn)的溫度值由熱電偶直接測(cè)得，誤差主要由熱電偶的測(cè)量誤差和多次測(cè)量的讀數(shù)誤差組成。實(shí)驗(yàn)用熱電偶為標(biāo)準(zhǔn)NiCr-NiSi的K型熱電偶，在溫度范圍為－30～150℃時(shí)，絕對(duì)測(cè)量誤差為0.2℃，相對(duì)測(cè)量誤差為0.75%；讀數(shù)的絕對(duì)誤差為1℃，相對(duì)誤差為1%。所以總的絕對(duì)誤差為1.2℃，相對(duì)誤差為1.75%。

圖8為不同導(dǎo)熱鋁基電路板熱平衡時(shí)的溫度分布圖和曲線。紅外測(cè)溫時(shí)，環(huán)境溫度為30℃，且系統(tǒng)已運(yùn)行60min達(dá)到熱平衡。芯片襯底最高溫度為67.7℃，經(jīng)換算得LED芯片最高結(jié)溫為75.7℃，芯片襯底最低溫度為60℃(兩基板中間空隙空氣溫度約為40℃)?；宓谋砻鏈囟燃s為67℃，兩側(cè)的溫度稍低于中間溫度。2~5排溫度分布相近，1，6排溫度較低。2~5排基板周圍熱場(chǎng)干擾大，空氣流動(dòng)較弱，熱量不易被帶走，從而使其溫度高于1，6排。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用微熱管散熱方案，大功率LED芯片可以長時(shí)間工作，這表明該散熱方案具有實(shí)用價(jià)值。

圖8不同導(dǎo)熱基板溫度分布圖和曲線。

圖9不同排翅片表面的穩(wěn)定溫度分布圖和曲線。

圖9為LED翅片表面熱平衡時(shí)的溫度分布圖和曲線，順序與基板順序相同，翅片表面最高溫度為60.3℃，最低溫度為52.8℃(兩排翅片中間空隙空氣溫度約為46.9℃)。翅片表面溫度中間高，兩側(cè)低，中間排翅片溫度較高。此排翅片溫度升高主要是對(duì)流散熱效果不佳、熱量不能及時(shí)對(duì)流到空氣中所致。為使中間翅片獲得更好的散熱效果，可在適當(dāng)?shù)奈恢眉语L(fēng)扇強(qiáng)排。

實(shí)驗(yàn)過程中，LED電源有一定的發(fā)熱量，會(huì)使芯片組周圍空氣溫度升高，在一定程度上增加對(duì)流散熱的困難性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮將電源單獨(dú)放置。紅外溫度測(cè)試儀只能拍攝到某一平面的溫度分布情況，溫度會(huì)有些誤差，但是可以用其代表LED系統(tǒng)整體溫度分布狀況，因?yàn)榧t外測(cè)溫與熱電偶直接測(cè)量結(jié)果一致。

圖10為7個(gè)模組上相同位置點(diǎn)的熱電偶測(cè)溫得到的溫度分布曲線。圖中可以看出，各點(diǎn)在7個(gè)模組上的溫度基本成正態(tài)分布，最高溫度為61.2℃，最低溫度為53.6℃，與紅外溫度測(cè)試儀測(cè)得的溫度分布相吻合。在單個(gè)模組的不同點(diǎn)上，點(diǎn)1和點(diǎn)2的溫度基本相等，點(diǎn)3的溫度最低，因?yàn)辄c(diǎn)3處在模組翅片的最外層。圖11為A，B，C，D4片翅片上不同點(diǎn)的溫度分布。由理論知識(shí)可知，單片翅片上的溫度成對(duì)稱分布，所以在其1/4面積上取了5個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)的位置分布如圖12所示?？梢姵崞谡w翅片中的位置對(duì)翅片溫度有很大的影響，而各片翅片的溫度分布情況是一致的，離熱管中心越遠(yuǎn)其溫度越低，因?yàn)樵跓醾鲗?dǎo)過程中溫度會(huì)降低。[!--empirenews.page--]

圖107個(gè)模組在相同位置點(diǎn)上的溫度分布。

圖11A,B,C,D4片翅片上不同點(diǎn)溫度分布。

圖13為各排模組上LED燈底座的溫度分布曲線，其分布狀況可代替LED燈的溫度分布情況。由圖可知，各排LED的溫度分布趨勢(shì)一致，隨著微熱管傳熱方向呈遞減趨勢(shì)，但溫度最高值出現(xiàn)在中間位置。微熱管的等溫性雖好，但依然存在很小的傳遞溫差，LED的溫度值也受其位置的影響，位置不僅影響其所對(duì)應(yīng)翅片的散熱情況，而且也影響其對(duì)應(yīng)的Al基板的對(duì)流散熱情況。

圖12翅片上點(diǎn)的位置分布。

圖13各排LED底座溫度分布。

根據(jù)Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫在亮度70%時(shí)與壽命的關(guān)系可知，當(dāng)芯片結(jié)點(diǎn)溫度為75℃時(shí)，其壽命大約為40000h，而市場(chǎng)上使用的高壓鈉燈有效使用壽命大約為10000h，所以此照明裝置結(jié)構(gòu)具有很高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

6結(jié)論

提出了一種新型的帶有百葉窗的平板式大功率LED照明裝置。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明，整個(gè)照明裝置中不同翅片間溫度分布具有耦合效應(yīng)，翅片間距與散熱模組間距都影響散熱翅片溫度分布，因此，處于照明裝置中間的模組的溫度分布會(huì)高于兩邊的模組溫度分布。該照明裝置能在自然對(duì)流的條件下有效散熱，可使LED芯片組結(jié)溫保持在75.7℃以下；而不使用微熱管散熱時(shí)LED芯片組結(jié)溫一般在13℃以上，因此，該照明裝置可用作戶外路燈照明來代替目前的高壓鈉燈，具有明顯的節(jié)能效果和重大的實(shí)用價(jià)值。該照明裝置運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，采用微熱管導(dǎo)熱，使得照明裝置結(jié)構(gòu)簡單、具有可重構(gòu)特征，且具有良好的散熱性能。相關(guān)翅片的參數(shù)設(shè)計(jì)還可以進(jìn)一步優(yōu)化以提高系統(tǒng)的散熱性能，也可通過增加風(fēng)扇，研究該裝置在強(qiáng)迫對(duì)流條件下的性能。